叶片自动装配系统平台构型研究

孙方成,于 群,石 宏

(沈阳航空航天大学 航空航天工程学部(院)，沈阳 110136)

叶片自动装配系统平台构型研究

孙方成,于 群,石 宏

(沈阳航空航天大学 航空航天工程学部(院)，沈阳 110136)

针对航空发动机叶片的传统装配特点，结合工业机器人的诸多优势，设计了一套基于串联机器人的叶片自动装配系统平台，在理论上实现了叶片自动化装配。运用有限元方法对典型部件进行静力学分析，验证系统平台的可行性。计算机械臂空间机构自由度，验证机构运动确定性。为提高叶片的装配质量、装配效率和缩短装配周期提供了有力保障。

叶片；自动装配；构型设计

航空发动机通过叶片高速旋转完成对气体的压缩、膨胀进而产生强大的推力来驱动飞机飞行。而高速旋转的叶片对转子的平衡性和盘表面振动量以及整机的振动响应都有很大影响，因此叶片装配在航空发动机装配制造中占有重要的地位。

目前，航空发动机叶片的装配均采用传统装配方式，检测手段落后，装配质量、精度受人为因素的影响，导致装配效率低[1]。为改善传统装配方式中高成本，难以满足现代发动机高精度装配等问题，采用自动化装配方式来提高装配质量和效率，是发动机生产制造技术的趋势[2]。

在自动化装配制造中机器人起到了重要的作用，现在所说的机器人多指工业机器人，也称串联机器人[3]，具有结构简单、成本低、易控制、运动空间大等优势。目前工业机器人已被广泛地应用于焊接、喷涂、搬运、装配等工业领域[4]。

本文针对航空发动机叶片传统装配特点，结合串联机器人的优势，运用三维软件Solidworks[5]构造模型，设计了一种适用于航空发动机涡轮叶片自动装配的系统平台。

1 叶片自动化装配系统平台构型设计

本文所设计的航空发动机自动装配系统主要由轮盘固定平台、机械臂、机械手、叶片自动输送装置、底座五部分组成，如图1所示。

图1 叶片自动装配系统结构

轮盘固定平台工作过程：当前一个叶片完成装配后，控制机构使轮盘旋转一个固定角度，轮盘上的下一个榫槽到达装配工位，进行下一个叶片装配，依此类推，完成轮盘上所有叶片的装配。

机械臂工作过程：机械臂从开始位置出发，通过腰部的旋转和升降使机械手到达叶片自动输送装置上方；通过小臂调整机械手减小仰角，使机械手到达指定工作位置；夹取叶片后，小臂增大仰角，离开指定位置；通过腰部的旋转和升降使机械手到达轮盘固定台上方；机械手腕部顺时针旋转13°；通过小臂减小仰角，使机械手到达预装配位置；叶片装配完成后，机械臂手整体恢复到开始位置，其流程如图2所示。

机械手工作过程：叶片夹取，推杆将叶片榫头推入夹具2中的榫槽内，叶片榫头左右前后四个自由度被约束；然后夹具1对叶片顶部上下两个自由度进行约束，从而达到叶片6自由度约束定位，如图3a所示。

叶片装配，推拉装置将叶片榫头推入轮盘的榫槽内，此时机械手对叶片榫头的左右前后4个自由度解除约束；然后夹具1放开，联动杆收回，夹具3离开叶片，机械手对叶片顶的上下2个自由度解除约束，此时机械手对叶片的6个自由度约束均解除，叶片脱离机械手成功装配到轮盘上，如图3b所示。

叶片自动输送装置工作过程：驱动块在线性马达的驱动下移动，使其榫槽与输送装置固定台上的长榫槽对接；基于重力作用，叶片榫头会自动下落到驱动块榫槽内；驱动块在线性马达的驱动下回到初始位置，使其榫槽与输送装置固定台上端的短榫槽对接，推杆会将叶片沿驱动块榫槽推出装配到上方工作区内的机械手夹具上，如图3a、3c所示。

图2 叶片自动装配系统工作流程

1-推杆；2-夹具1；3-夹具2；4-推拉装置；5-夹具3；6-联动杆；7-输送装置固定台；8-驱动块；9-叶片图3 叶片自动装配系统典型部件结构

2 典型部件强度与刚度分析

2.1 运用模拟运算获得线性马达驱动力

本文以推拉装置(如图4粗箭头所作用零件,其中粗箭头代表施加马达驱动力，细箭头代表施加重力)作为典型部件，其原因为该部件即承受来自线性马达的驱动力，又要承受叶片榫头装配至轮盘中的反作用力，因此若该部件强度与刚度达不到要求，将会导致装配精度不够，致使叶片磨损，最终将不能够完成叶片装配。

运行Motion[6]获得线性马达需提供的驱动力与时间关系，如图5所示。

图4 推拉装置装工位与复位

图5 推拉装置工位与复位马达力与时间关系

2.2 推拉装置强度与刚度分析

本文运用Simulation[7-13]进行有限元静力学分析,将叶片榫头定向移动推拉装置设为固定约束模型[14]。如表1所示，由马达力综合结果可知线性马达的最大约束力为5.367N，在进行有限元分析时将施加力设置为5.367N。该零件所选材料为合金钢(弹性模量为2.1e+011 N/m2，屈服强度为6.204 22e+008 N/m2)。

表1 马达力综合结果

静力学仿真后该模型由图6a可知，应力较大区域分布在零件(推拉装置)的榫头和长杆连接处，主要是由于零件榫头与叶片榫头横端面紧密接触，且为同轨道运动。而主推力完全施加在线性马达连杆上，连杆离零件榫头又较近，最终导致应力较大位置出现在该区域，而应力较小的区域则主要分布在远离零件榫头的长杆位置。其中最大应力为3.845 65 N/mm2(MPa)(如表2所示)，该值远远小于材料屈服强度620.422 N/mm2(MPa)，因此满足强度要求。

由图6b可知，位移最大值发生在零件长杆上远离零件榫头端，由于叶片重力直接施加在零件榫头横端面上，根据杠杆原理，支点为线性马达连杆，故远离支点端位移相对较大，其变形最大值为0.013 424 4 mm(如表2所示)，从数值上来讲该变形相对较小，且发生在远离受力面端，因此不影响定位精度，符合刚度要求。

图6 推拉装置静应力分析表

名称类型最小最大应力1VON：vonMises应力158384e-008N/mm2(MPa)384565N/mm2(MPa)位移1URES：合位移0mm00134244mm

3 机械臂空间自由度的计算

计算机械臂空间机构自由度可验证该机构运动是否具有确定性，是对机构运动可行性和稳定性的保障，直接影响到叶片装配的精确性和稳定性，具有重要意义。

图7 机械臂手空间机构简图

空间机构自由度计算公式[15]

W=PZ-λ-3K

式中：W—空间机构自由度；Pz—空间机构运动副自由度总数；λ—空间机构运动副的多余自由度数目；3—空间机构每个封闭环的约束数；K—空间机构封闭环数。

由图7所示，该机构运动副自由度总数Pz=4；空间机构运动副的多余自由度数目λ=0；将机架0—0用虚线连起来，得到1个封闭环(0-A-B-C-0),说明K=1,带公式得：

W=PZ-λ-3K=4-0-3×1=1

综上可知，该机构自由度与原动件数相等,则机械臂手各构件间的相对运动具有确定性、良好的装配精度和稳定性，可实现叶片夹取和装配过程中的不同位姿变换。

4 结论

本文针对航空发动机叶片传统装配方法，根据叶片的结构特点，融合了工业机器人的诸多优势，设计出一套航空发动机叶片自动装配系统平台；利用有限元软件对重要的结构部件进行静力学分析，验证其可行性，设计了精准的机械手夹具，使定位具有高精度和高承载能力等优点，并对机械臂空间机构自由度进行计算，验证了该机构运动的确定性。其应用可有效避免在装配过程中由于人为因素导致的各种误差，能够提高装配质量和装配效率，具有推广价值。

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Studyonplatformconfigurationofbladeautomaticassemblysystem

SUN Fang-cheng,YU Qun,SHI Hong

(Faculty of Aerospace Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

Based on characteristics of traditional blades assembly of aero engine and advantages of industrial robots,a set of automatic blade assembly system platform was designed by tandem robots to realize theoretically automatic blade assembly.The statics of classic assembly unit was analyzed by afinite element method to verify feasibility of the system platform.The freedom degree of the manipulator space was calculated to verify accuracy of the mechanicalmotion.This system provides a strong guarantee for the quality and efficiency of blade assembly and shortening the production period.

blade;automatic assembly;configuration design

2017-06-20

孙方成(1990-)，男，辽宁朝阳人，硕士研究生，主要研究方向：航空发动机强度、振动及噪声，E-mail:sun_fang_cheng @163.com；石宏(1961-)，女，辽宁沈阳人，教授，博士，主要研究方向：航空发动机制造与维修技术，E-mail:shihong0809@163.com。

2095-1248(2017)05-0045-04

V263.2+4

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2017.05.006

(责任编辑：吴萍 英文审校：赵欢)